EP1759187A1 - Ir-sensor, insbesondere co2-sensor - Google Patents

Ir-sensor, insbesondere co2-sensor

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EP1759187A1
EP1759187A1 EP05748773A EP05748773A EP1759187A1 EP 1759187 A1 EP1759187 A1 EP 1759187A1 EP 05748773 A EP05748773 A EP 05748773A EP 05748773 A EP05748773 A EP 05748773A EP 1759187 A1 EP1759187 A1 EP 1759187A1
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EP
European Patent Office
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filter
pass band
sensor
filters
detector
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EP05748773A
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Jens Møller JENSEN
Mohamed Yahia Benslimane
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Original Assignee
Danfoss AS
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Publication date
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Definitions

  • IR sensor especially C0 2 sensor
  • the invention relates to an IR sensor, in particular a C0 2 sensor, with a filter arrangement, behind which a detector arrangement is arranged, and an evaluation device which is connected to the detector arrangement, the filter arrangement comprising a first filter and a second filter, which act as a bandpass filter Filters are formed and each have a pass band and of which the first filter passes a predetermined IR band and the second filter does not, and the detector arrangement has two detectors, each of which is assigned to a filter.
  • Such a sensor which is designed as a gas sensor, is known, for example, from US Pat. No. 5,081,998.
  • An IR radiation source is provided there, which acts on a total of four detectors via a filter arrangement.
  • the filter arrangement has two filters with different transmission characteristics.
  • a first filter has a pass band for IR radiation, which is absorbed by C0 2 .
  • This filter is therefore also called “C0 2 filter” for short.
  • the detectors arranged behind are called C0 2 detectors.
  • the other filter has a different pass band, which is used to determine a reference variable.
  • the detectors arranged behind this reference filter are referred to as reference detectors.
  • a third filter is arranged, which is referred to as a "natural density filter” and shadows half of the first filter and the second filter. Accordingly, one of the two C0 2 detectors and 10 one of the reference detectors receives only IR radiation that has passed through the "natural density filter” as well as through either the C0 2 filter or the reference filter. The difference between the output signals of the two C0 2 detectors and the dif-
  • Such a CO 2 sensor is required, for example, in order to determine CO 2 in the breath of a patient, in order to better monitor the patient during anesthesia
  • the C0 concentration in a room should be between 800 ppm and 1200 ppm because at higher concentrations
  • the invention is, as explained above, described below with reference to the measurement of C0 2 . But it can also be used with other gases.
  • the invention has for its object to simplify the application of an IR sensor.
  • the one detector now detects IR radiation with a predetermined spectral range, which also, for example, the absorption spectrum of the
  • • - - averaging gas, - -here C0 2 comprises ....
  • De -andere detector detects an IR spectrum from a portion of it, the
  • the pass band of the first filter is preferably larger than the pass band of the second filter. Accordingly, in addition to the spectral range through which the second filter passes, the first filter also includes the spectral range in which IR radiation is absorbed. - - - - - -. - _ _ -_
  • Both filters preferably have a common cutoff wavelength. This simplifies the evaluation. The difference between the output signals of the detectors can then be easily formed without additional calculation steps being required.
  • the limit wavelengths are the wavelengths that define the passbands, ie limit them. They are referred to as "start wavelength” and "end wavelength”.
  • both filters have the same starting wavelength.
  • the "start wavelength” is the wavelength from which the filter emits radiation let through.
  • the “same” start wavelength does not have to be identical in the mathematical sense. Usual tolerances, for example 5%, are quite permissible. Such tolerances have an influence on the measurement result. However, this influence is acceptable.
  • Both filters are preferably formed by successive filter elements, one filter element being the same for both filters and defining a cutoff wavelength.
  • the two filter elements are therefore one behind the other in the radiation direction, i.e. between the source or sources of IR radiation and the detectors.
  • the filter arrangement can now be designed such that the "start wavelength” is defined by the filter element, which is the same for both filters, and the "end wavelength", which limits the pass band, is defined by the other two filter elements. This is a simple measure, in order to be able to determine the pass band of both filters with a comparatively high accuracy.
  • the first filter advantageously has a pass band which is 0.3 to 0.7 ⁇ m larger than the pass band of the second filter.
  • the first filter With the first filter, one basically wants to cover only a relatively narrow wavelength or spectral range of the IR spectrum, namely the range in which IR radiation is absorbed by CO 2 .
  • the specified range is sufficient for this.
  • the risk that absorption by other gases has a negative influence on the measurement result and falsify it is kept low.
  • the first filter has a pass band in the range from 3.6 to 4.5 ⁇ m and the second filter has a pass band in the range from 3.6 to 4.0 ⁇ m.
  • the common spectral range is about half as large as the spectral range that the first filter passes through.
  • these spectral ranges can of course also be shifted. However, it has been found that these wavelength ranges are favorable for C0 2 .
  • the senor uses the natural IR radiation from the surroundings. There is therefore no need for a radiation source which has to be supplied separately and accordingly has a certain power consumption. IR radiation is generally present everywhere, and indeed - even if -. no sunlight shines in. Every body basically has a certain amount of heat radiation. Since you are now on an IR radiation
  • Radiation source can be dispensed with, the "measuring range” is also expanded, i.e. larger areas of a room can be monitored for the corresponding gas content. This makes it easier to monitor and adjust a "personal room climate” or "indoor air quality". It is not necessary to lead the air in the room to a sensor and to pass it there between the IR radiation source and the detectors with upstream filters. It is sufficient to place the sensor at a point in the room where it will be monitored
  • Air volume can "overlook", so to speak.
  • the gas sensor can detect the averaged gas concentration in a simple manner, so to speak.
  • the sensor therefore determines an average value, which means a significantly better measurement result, in particular for the personal room climate.
  • the sensor can also be used to improve the technology of sensors that work with lamps or other illuminants. If you use natural or ambient IR radiation, you can reduce the energy of the lamp. This leads to longer service intervals and a longer service life.
  • the evaluation device preferably normalizes the difference to the signal of the first detector.
  • the signal containing the C0 2 content is used for normalization. With this procedure you get a somewhat greater dynamic.
  • the filters preferably have CaF 2 , germanium or silicon.
  • the silicon preferably has an anti-reflective coating in order to improve the passage.
  • 1 is a schematic representation to explain the functional principle of the present invention
  • 2 shows a schematic representation of two passbands of two filters
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the amount of energy that can be detected by detectors
  • Fig. 4 is a block diagram for explaining the structure of the gas sensor
  • Fig. 5 is a schematic representation of the pass band of two filters
  • Fig. 6 is a schematic representation of a preliminary stage of an evaluation signal.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a gas sensor 1 for determining the CO 2 content (carbon dioxide content) in a measuring range.
  • the measuring range can be, for example, a room or a section of a room in which the personal room climate is to be regulated.
  • a sun 3 is shown as a natural IR source. The sun 3 is only used for explanation.
  • the gas sensor 1 also works in the absence of sun rays, because in principle practically every body radiates heat and thus generates IR rays.
  • the gas molecules 4 absorb IR rays in a certain spectral range, which is indicated by arrows 5 shall be.
  • the greater the concentration of C0 2 the lower the energy in a certain spectral range that can be detected in gas sensor 1.
  • 4 now shows a block diagram in a schematic illustration to explain the structure of the gas sensor 1.
  • the gas sensor 1 has a filter arrangement 6, a detector arrangement 7 and an evaluation device 8. Further details, such as the housing, fastening means or the like, are not shown here.
  • the filter arrangement has a first filter 9 and a second filter 10. Both filters have different pass characteristics, which are shown in Fig. 2.
  • the first filter has a pass band F1.
  • the second filter has a pass band F2.
  • Both passbands Fl, F2 start at the - same - lower limit L, -. However, they end differently at their upper limit, namely the pass band Fl at an upper limit Ul and the pass band F2 at an upper limit U2.
  • the distance between the upper limit Ul of the first pass band Fl and the upper limit U2 is of the order of about 0.3 to about 0.7 ⁇ m, for example 0.5 ⁇ m.
  • the pass band F1 of the first filter 9 In the area in which the pass band F1 of the first filter 9 is larger than the pass band F2 of the second filter 10, there is a spectral range ⁇ (C0 2 ) in which IR radiation from C0 2 is absorbed.
  • This spectral range is around 4.2 to 4.3 ⁇ m.
  • the upper limit Ul of the first pass - ll - arrange Fl band at about 4.5 microns
  • the upper limit U2 of the second passband F2 at about 4.0 microns
  • the ⁇ lower limit L the two pass bands Fl, F2 is common to 3.6 microns. 5
  • the second filter 10 has a second filter element 12 which defines the upper limit U2 of the second pass band F2.
  • a third filter element 13 is provided which defines the lower limit L of the two passbands F1, F2.
  • the third filter element 135 has an upper pass limit which lies beyond the upper limit U 1 of the pass band F1 of the first filter 9.
  • the first and the second filter element - - ' have a lower-right - pass limit, - which lies below the lower limit L of the third filter element 130.
  • the filter arrangement 6 in the area of the first filter 9 passes IR radiation with an energy which is marked with A in FIG. 3.
  • This 5 energy is reduced by a proportion C, which is absorbed by C0 2 .
  • the filter arrangement 6 allows energy to pass through in the area of the second filter 10, which is marked with B in FIG. 3. This energy is practically constant because it is not influenced by C0 2
  • the different energies are now detected by the detector arrangement 7.
  • the detector arrangement 7 has a first detector 14, which detects the IR radiation that passes through the first filter 9, and a second detector 15, which detects the IR radiation that passes through the second filter 10.
  • the two detectors 14, 15 can be designed as thermoelectric elements, which are also known under the name "thermopiles”.
  • each detector Depending on the IR radiation that occurs, each detector generates a voltage or a current, that is to say an electrical quantity that is larger the more IR radiation is incident. Accordingly, the first detector 14 generates a signal S1 and the second detector 15 generates a signal S2.
  • thermopile sensor is available, for example, from PerkinElmer Optoelectronics GmbH, D-65199 Wiesbaden, Germany. , , , - _ ..
  • thermopile sensor Because the output signal varies with the temperature, a temperature measurement has already been built in around the sensor. Since it is conceivable that a radiation temperature can also be obtained from the room through the sensor, one can immediately obtain an operating temperature based on these two measurements, which can then be used to control the room temperature or something else entirely. In connection with IR it is also conceivable that a measurement of a movement in the room with the sensor is directly possible, which can then be used, for example, to control ventilation, which is only activated, for example, when there is a movement that indicates that there are people in the room. On the basis of various motion measurements, one could also imagine that it would be possible to obtain an estimate of the number of people in the room, this estimate also being applicable for control purposes, so that the
  • Room temperature or ventilation is controlled / changed depending on the number of people in the room.
  • Both signals S1, S2 are fed to the evaluation device 8. Both signals contain an interference component. It is assumed that the interference component for both detectors 14, 15 is essentially the same. Dement- accordingly -then -then- - - - -
  • I C o 2 is the electrical quantity, for example the current or the voltage, which contains the information about the IR radiation
  • I ref is the reference quantity which is not influenced by the IR radiation.
  • the index n stands for "noise”. If one now forms the difference between S1 and S2, for which a difference former 16 is shown schematically, then a variable is obtained
  • This difference S1-S2 is now normalized to the output signal S1 of the first detector 14, so that a signal S3 is obtained.
  • This output signal S3 is in turn influenced by the disturbance variable I n .
  • This disturbance is negligible.
  • FIG. 6 shows the difference between the two pass bands F1, F2 and the absorption spectrum 17 for C0 drawn therein.
  • the gas sensor is able to reliably determine CO 2 concentrations in the range from approximately 300 to approximately 1500 ppm.
  • the passbands must be moved accordingly. In any case, however, it should be ensured that the passbands overlap in order to allow the greatest possible energy yield to reach the detectors 14, 15.
  • a collector can also be arranged in front of the sensor, i.e. a device that collects or bundles IR radiation, for example a collimator. This also improves the sensor.
  • Such a sensor can also be used directly for exhaust gas monitoring. For this purpose, it is installed in the chimney or the exhaust. In heating systems in particular, the combustion can then be controlled with the aid of the output signals from the sensor (or from several sensors).

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Abstract

Es wird ein IR-Sensor (1), insbesondere CO2-Sensor, angegeben mit einer Filteranordnung (6), hinter der eine Detektoranordnung (7) angeordnet ist, und einer Auswerteeinrichtung (8), die mit der Detektoranordnung (7) verbunden ist, wobei die Filteranordnung (6) einen ersten Filter (9) und einen zweiten Filter (10), die als BHandpabeta-Filter ausgebildet sind und jeweils ein Durchlaß und aufweisen und von denen der erste Filter (9) ein vorbestimmtes IR-Band durchläbeta und der zweite Filter (10) nicht, und die Detektoranordnung zwei Detektoren (14, 15) aufweist, von denen jeder einem Filter (9, 10) zugeordnet ist. Man möchte die Anwendung eines derartigen IR-Sensors vereinfachen. Hierzu ist vorgesehen, dabeta das Durchlabetaband einer Filters (10) innerhalb des Durchlabetabandes des anderen Filters (9) angeordnet ist und die Auswerteeinrichtung (8) eine Differenz der Signale (S1, S2) der Detektoren (14, 15) bildet und sie auf das Signal (S1) eines Detektors (14) normiert.

Description

IR-Sensor, insbesondere C02-Sensor
Die Erfindung betrifft einen IR-Sensor, insbesondere C02-Sensor, mit einer Filteranordnung, hinter der eine Detektoranordnung angeordnet ist, und einer Auswerteeinrichtung, die mit der Detektoranordnung verbunden ist, wobei die Filteranordnung einen ersten Filter und einen zweiten Filter, die als Bandpaß-Filter ausgebildet sind und jeweils ein Durchlaßband aufweisen und von denen der erste Filter ein vorbestimmtes IR-Band durchläßt und der zweite Filter nicht, und die Detektoran- Ordnung zwei Detektoren aufweist, von denen jeder einem Filter zugeordnet ist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines IR-Sensors "'für IR-absorbierende" Gase 'beschrieben.-- -Sie- ist -jedoch- - auch bei anderen Aufgaben anwendbar, wie später erläutert werden wird.
Ein derartiger Sensor, der als Gassensor ausgebildet ist, ist beispielsweise aus US 5 081 998 A bekannt. Dort ist eine IR-Strahlungsquelle vorgesehen, die über eine Filteranordnung insgesamt vier Detektoren beaufschlagt. Die Filteranordnung weist zwei Filter mit unterschiedlichen Durchlaßcharakteristiken auf. Ein erster Filter hat ein Durchlaßband für IR-Strahlung, die von C02 absorbiert wird. Dieser Filter wird daher auch kurz als "C02-Filter" bezeichnet. Die dahinter angeordneten Detektoren werden als C02-Detektoren bezeichnet. Der andere Filter weist ein davon unterschiedliches Durchlaßband auf, das zur Ermittlung einer Referenz- große dient . Die hinter diesem Referenzfilter angeordneten Detektoren werden als Referenzdetektoren bezeich- 5 net . Zwischen der IR-Quelle und den beiden Filtern ist ein dritter Filter angeordnet, der als "natural density filter" bezeichnet wird und den ersten Filter und den zweiten Filter jeweils zur Hälfte abschattet. Dementsprechend erhält einer der beiden C02-Detektoren und 10 einer der Referenzdetektoren nur IR-Strahlung, die sowohl durch den "natural density filter" als auch durch entweder den C02-Filter oder den Referenzfilter gelangt ist. In der Auswerteeinrichtung wird die Differenz der AusgangsSignale der beiden C02-Detektoren und die Dif-
15 ferenz der beiden Referenzdetektoren gebildet. Die beiden Differenzen werden dann durcheinander dividiert . Einen derartigen C02-Sensor benötigt man beispielsweise - ' - bei der- Bestimmung -von C02 im -Atem eines Patienten,- um den Patienten während einer Narkose besser überwachen
20 zu können.
Ein anderes Anwendungsfeld für Gassensoren, insbesondere C02-Sensoren, ist in US 6 369 716 Bl dargestellt. Dort dient der C02-Sensor dazu, den C02-Gehalt (Kohlen- 25 dioxid-Gehalt) in einem Raum festzustellen, um mit Hilfe dieser Meßgröße das Raumklima steuern zu können.
Die C0-Konzentration in einem Raum sollte zwischen 800 ppm und 1200 ppm liegen, weil bei höheren Konzen-
30 trationen Ermüdungserscheinungen entstehen können. Die natürliche Konzentration in bebauten Gebieten liegt normalerweise bei etwa 400 ppm. Mit Hilfe eines C02- Sensors kann man ermitteln, wieviel Frischluft zugeführt werden muß, um eine gewünschte C02-Konzentration zu erzielen. Die gleichen Überlegungen gelten auch für andere Gase, bei denen ein bestimmter Gehalt nicht überschritten werden darf, beispielsweise CO (Kohlen- monoxid) oder ähnliches.
Die Erfindung wird, wie oben ausgeführt, im folgenden anhand der Messung von C02 beschrieben. Sie ist aber auch bei anderen Gasen anwendbar.
Eine Art, C02 in der Luft zu Messen, beruht auf Gaspha- sen-basierten Sensoren, bei denen die nondispersive, infrarote Spektroskopie (NDIR) verwendet wird. Bei dieser Art der Ermittlung des C02-Gehalts geht man davon aus, daß C02 Infrarot-Strahlung absorbiert, d.h. der Anteil- der - IR-Strahlung in.einem .bestimmten, eng uraris- senen Wellenlängenbereich ist eine Größe, die man zur Bestimmung der C02-Konzentration verwenden kann.
Nachteilig bei derartigen Sensoren ist, daß sie eine relativ große Leistungsaufnahme haben. Die aus
US 5 081 998 A bekannte Anordnung benötigt eine Strah- lungsquelle, was sie jedenfalls bei einem längeren
Gebrauch ungeeignet für eine batteriebetriebene Anwendung macht. Darüber hinaus benötigt eine derartige IR- Quelle in der Regel eine gewisse Aufheizzeit, so daß man ohne eine gewisse Vorbereitung nicht immer dann messen kann, wenn dies gewünscht ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Anwendung eines IR-Sensors zu vereinfachen.
Diese Aufgabe wird bei einem Gassensor der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Durchlaßband eines Filters innerhalb des Durchlaßbandes des anderen Filters angeordnet ist und die Auswerteeinrichtung eine Differenz der Signale der Detektoren bildet und sie auf das Signal eines Detektors normiert .
10 Mit dieser Ausgestaltung erreicht man, daß wesentlich mehr IR-Strahlung ausgewertet werden kann. Die IR- Strahlung wird also nicht in zwei getrennte Bereiche aufgeteilt, wobei jeder Detektor nur einen Bereich er-
15 faßt . Vielmehr erfaßt nun der eine Detektor eine IR- Strahlung mit einem vorgegebenen Spektralbereich, der auch beispielsweise das Absorptionsspektrum des zu er-
•-- - mittelnden Gases,- -hier C02, umfaßt ....De -andere Detektor erfaßt ein IR-Spektrum aus einem Teilbereich davon, das
20 nicht mehr das Absorptionsspektrum des zu ermittelnden Gases umfaßt. Damit wird die Empfindlichkeit des Sensors erheblich gesteigert, d.h. für die Versorgung des Sensors mit IR-Strahlung werden nur noch geringere Anforderungen gestellt. Dadurch, daß man eine Differenz 25 zwischen den Ausgangssignalen der Detektoren bildet, wird ein Störsignal, beispielsweise ein Hintergrundrauschen oder dergleichen, eliminiert. Die Normierung dieser Differenz auf das Ausgangssignal eines Detektors erlaubt es, Schwankungen in der Intensität der IR-
30 Strahlung auszugleichen. Man kann auch mehr als zwei Sensoren mit einer entsprechend größeren Anzahl von Filtern verwenden, wobei sich dann die einzelnen Durchlaßbereiche entsprechend überlappen. Mit einem derartigen Sensor kann man auch andere Informationen gewinnen, beispielsweise über Temperatur, eine Bewegung im Raum, Anzahl von Personen im Raum etc. Da man wesentlich mehr Strahlung erfassen kann, kann man den Leistungsverbrauch verringern, so daß man die notwendige Leistung auch über eine Batterie bereitstellen kann. Dies wiederum eröffnet größere Freiheiten bei der örtlichen Montage und Verwendung. Der Sensor kann seine Signale drahtlos übertragen.
Vorzugsweise ist das Durchlaßband des ersten Filters größer als das Durchlaßband des zweiten Filters. Dera- entsprechend umfaßt der erste Filter zusätzlich zu dem Spektralbereich, den der zweite Filter durchläßt, auch den Spektralbereich, in dem IR-Strahlung absorbiert wird.- - - - - . - _ _ -_
Vorzugsweise weisen beide Filter eine gemeinsame Grenzwellenlänge auf. Dies vereinfacht die Auswertung. Man kann dann ohne weiteres die Differenz zwischen den Ausgangssignalen der Detektoren bilden, ohne daß zusätzliche Rechenschritte erforderlich sind. Bei den Grenzwel- lenlängen handelt es sich um die Wellenlängen, die die Durchlaßbänder definieren, also begrenzen. Sie werden mit "Startwellenlänge" und "Endwellenlänge" bezeichnet.
Hierbei ist bevorzugt, daß beide Filter die gleiche Startwellenlänge aufweisen. Die "Startwellenlänge" ist die Wellenlänge, ab der die Filter eine Strahlung durchlassen. Die "gleiche" Startwellenlänge muß nicht im mathematischen Sinne identisch sein. Übliche Toleranzen, beispielsweise 5 %, sind durchaus zulässig. Derartige Toleranzen haben zwar einen Einfluß auf das Meßergebnis. Dieser Einfluß ist aber akzeptabel.
Vorzugsweise sind beide Filter durch aufeinanderfolgende Filterelemente gebildet, wobei ein Filterelement für beide Filter gleich ist und eine Grenzwellenlänge defi- niert. Die beiden Filterelemente liegen also in Strahlungsrichtung hintereinander, d.h. zwischen der oder den Quellen für IR-Strahlung und den Detektoren. Man kann nun die Filteranordnung so ausgestalten, daß die "Startwellenlänge" durch das Filterelement definiert wird, das für beide Filter gleich ist, und die "Endwellenlänge", die das Durchlaßband begrenzt, durch die beiden anderen Filterelemente definiert wird. Dies ist eine -einfache Maßnahme-,- -um- das Durchlaßband er beiden - Filter mit einer vergleichsweise hohen Genauigkeit festlegen zu können.
Vorteilhafterweise weist der erste Filter ein Durchlaßband auf, das um 0,3 bis 0,7 μm größer ist als das Durchlaßband des zweiten Filters. Man möchte mit dem ersten Filter im Grunde nur einen relativ engen Wellenlängen- oder Spektralbereich des IR-Spektrums abdecken, nämlich den Bereich, in dem IR-Strahlung durch C02 absorbiert wird. Der angegebene Bereich reicht dafür aus. Die Gefahr, daß Absorptionen durch andere Gase einen negativen Einfluß auf das Meßergebnis haben und dieses verfälschen, wird klein gehalten. Hierbei ist bevorzugt, daß der erste Filter ein Durchlaßband im Bereich von 3,6 bis 4,5 μm und der zweite Filter ein Durchlaßband im Bereich von 3,6 bis 4,0 μm aufweist. Allgemein läßt sich sagen, daß der gemeinsame Spektralbereich etwa halb so groß ist wie der Spektral- bereich, den der erste Filter durchläßt. In Abhängigkeit von den zu detektierenden Gasen oder anderen Größen können diese Spektralbereiche natürlich auch verschoben werden. Es hat sich aber herausgestellt, daß für C02 diese Wellenlängenbereiche günstig sind.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung verwendet der Sensor die natürliche IR-Strahlung aus der Umge- bung. Es ist also keine Strahlungsquelle erforderlich, die getrennt versorgt werden muß und dementsprechend eine gewisse Leistungsaufnahme hat. IR-Strahlung ist in de -Regel überall vorhanden und - zwar.-auch dann,- wenn. kein Sonnenlicht einstrahlt. Jeder Körper hat im Grunde eine gewisse Wärmestrahlung. Da man nun auf eine IR-
Strahlungsquelle verzichten kann, erweitert sich auch der "Meßbereich", d.h. man kann größere Bereiche eines Raums auf den entsprechenden Gasgehalt hin überwachen. Dies erleichtert die Überwachung und Einstellung eines "persönlichen Raumklimas" oder der "indoor air quali- ty" . Man muß die Luft in dem Raum nicht erst zu einem Sensor führen und dort zwischen der IR-Strahlungsquelle und den Detektoren mit vorgeschalteten Filtern hindurchführen. Es reicht aus, wenn man den Sensor an ei- ner Stelle im Raum anordnet, wo er das zu überwachende
Luftvolumen sozusagen "überblicken" kann. In diesem Fall kann der Gassensor sozusagen die gemittelte Gaskonzentration auf einfache Weise erfassen. Der Sensor ermittelt also einen Durchschnittswert, was insbesondere für das persönliche Raumklima ein wesentlich besse- res Meßergebnis bedeutet. Natürlich kann man mit dem Sensor auch die Technik von Sensoren verbessern, die mit Lampen oder anderen Leuchtmitteln arbeiten. Wenn man die natürliche oder Umgebungs-IR-Strahlung verwendet, kann man die Energie des Leuchtmittels reduzieren. Dies führt zu längeren Serviceintervallen und einer längeren Lebensdauer.
Vorzugsweise normiert die Auswerteeinrichtung die Differenz auf das Signal des ersten Detektors . Mit anderen Worten wird zur Normierung das Signal verwendet, das den C02-Gehalt enthält. Mit dieser Vorgehensweise erhält man eine etwas größere Dynamik.
Bevorzugterweise weisen die Filter CaF2, Germanium oder Silizium auf. Das Silizium weist vorzugsweise eine An- ti-Reflektionsbeschichtung auf, um den Durchgang zu verbessern.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzug- ten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Funktionsprinzips der vorliegenden Erfin- düng, Fig. 2 eine schematische Darstellung von zwei Durchlaßbändern zweier Filter,
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Energiemenge, die von Detektoren erfaßt werden kann,
Fig. 4 ein Blockschaltbild zur Erläuterung des Aufbaus des Gassensors, Fig. 5 eine schematische Darstellung des Durchlaßbereichs zweier Filter und
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Vorstufe eines Auswertesignals.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Gassensor 1 zur Ermittlung des C02-Gehalts (Kohlendioxid- - Gehalt) in einem Meßbereich.2. Bei dem Meßbereich kann, es sich beispielsweise um einen Raum oder den Aus- schnitt eines Raumes handeln, in dem das persönliche Raumklima geregelt werden soll. Eine Sonne 3 ist als natürliche IR-Quelle dargestellt. Die Sonne 3 dient hierbei lediglich zur Erläuterung. Der Gassensor 1 arbeitet auch bei Abwesenheit von Sonnenstrahlen, weil im Prinzip praktisch jeder Körper Wärme abstrahlt und somit IR-Strahlen erzeugt.
Im Meßbereich 2 befinden sich viele C02-Moleküle, die hier als kleine Kreise dargestellt sind. Die Gasmolekü- le 4 absorbieren in einem bestimmten Spektralbereich IR-Strahlen, was durch Pfeile 5 zum Ausdruck gebracht werden soll. Je größer die Konzentration von C02 ist, desto geringer ist in einem bestimmten Spektralbereich die Energie, die im Gassensor 1 erfaßt werden kann. Fig. 4 zeigt nun in schematischer Darstellung ein Blockschaltbild zur Erläuterung des Aufbaus des Gassensors 1. Der Gassensor 1 weist eine Filteranordnung 6, eine Detektoranordnung 7 und eine Auswerteeinrichtung 8 auf. Weitere Einzelheiten, wie Gehäuse, Befestigungs- mittel oder dergleichen, sind hier nicht dargestellt.
Die Filteranordnung weist einen ersten Filter 9 und einen zweiten Filter 10 auf. Beide Filter haben unterschiedliche Durchlaßcharakteristiken, die in Fig. 2 dargestellt sind. Der erste Filter weist ein Durchlaßband Fl auf. Der zweite Filter weist ein Durchlaßband F2 auf. Beide Durchlaßbänder Fl, F2 beginnen an der - -gleichen-unteren Grenze L,-. enden aber an ihrer ..oberen Grenze unterschiedlich und zwar der Durchlaßbereich Fl an einer oberen Grenze Ul und der Durchlaßbereich F2 an einer oberen Grenze U2. Der Abstand zwischen der oberen Grenze Ul des ersten Durchlaßbandes Fl und der oberen Grenze U2 liegt in der Größenordnung von etwa 0,3 bis etwa 0,7 μm, beispielsweise bei 0,5 μm.
In dem Bereich, in dem das Durchlaßband Fl des ersten Filters 9 größer ist als das Durchlaßband F2 des zweiten Filters 10, liegt ein Spektralbereich λ (C02) , in dem IR-Strahlung von C02 absorbiert wird. Dieser Spek- tralbereich liegt bei etwa 4,2 bis 4,3 μm. Dementsprechend kann man die obere Grenze Ul des ersten Durchlaß- - l l - bandes Fl bei etwa 4,5 μm anordnen, die obere Grenze U2 des zweiten Durchlaßbandes F2 bei etwa 4,0 μm und die ■ untere Grenze L, die beiden Durchlaßbändern Fl, F2 gemeinsam ist, bei 3,6 μm. 5 Realisiert werden kann dies auf relativ einfache Weise dadurch, daß der erste Filter 9 ein erstes Filterelement 11 aufweist, das die obere Grenze Ul des Durchlaßbandes Fl definiert. Der zweite Filter 10 weist ein0 zweites Filterelement 12 auf, das die obere Grenze U2 des zweiten Durchlaßbandes F2 definiert. Für beide Filter 9, 10 gemeinsam ist ein drittes Filterelement 13 vorgesehen, das die untere Grenze L der beiden Durchlaßbänder Fl, F2 definiert. Das dritte Filterelement 135 weist eine obere Durchlaßgrenze auf, die jenseits der oberen Grenze Ul des Durchlaßbandes Fl des ersten Filters 9 liegt . Das erste und das zweite Filterelement - - ' weisen eine unte-re -Durchlaßgrenze auf ,- die -unterhalb., der unteren Grenze L des dritten Filterelements 130 liegt.
Dementsprechend läßt die Filteranordnung 6 im Bereich des ersten Filters 9 IR-Strahlung mit einer Energie durch, die in Fig. 3 mit A gekennzeichnet ist. Diese5 Energie wird um einen Anteil C vermindert, der von C02 absorbiert wird. Die Filteranordnung 6 läßt im Bereich des zweiten Filters 10 Energie passieren, die in Fig. 3 mit B markiert ist . Diese Energie ist praktisch konstant, weil sie von C02 nicht beeinflußt wird.0 Die unterschiedlichen Energien werden nun von der Detektoranordnung 7 erfaßt. Die Detektoranordnung 7 weist einen ersten Detektor 14 auf, der die IR-Strahlung erfaßt, die durch den ersten Filter 9 tritt, und einen zweiten Detektor 15, der die IR-Strahlung erfaßt, die durch den zweiten Filter 10 hindurchtritt. Die beiden Detektoren 14, 15 können als thermoelektrische Elemente ausgebildet sein, die auch unter der Bezeichnung "ther- mopiles" bekannt sind. Jeder Detektor erzeugt in Abhän- gigkeit von der auftretenden IR-Strahlung eine Spannung oder einen Strom, also eine elektrische Größe, die um so größer ist, je mehr IR-Strahlung auftrifft. Dementsprechend erzeugt der erste Detektor 14 ein Signal Sl und der zweite Detektor 15 ein Signal S2.
Ein Thermopile-Sensor ist beispielsweise von der PerkinElmer Optoelectronics GmbH, D-65199 Wiesbaden, Deutschland, erhältlich. . . . - _ ..
Weil in einem Thermopile-Sensor normalerweise eine Temperaturmessung erfolgt (weil das Ausgangssignal mit der Temperatur variiert) , hat man schon eine Messung der Temperatur um den Sensor herum eingebaut . Da es vorstellbar ist, daß durch den Sensor auch eine Strah- lungstemperatur vom Raum erhältlich ist, kann man unmittelbar aufgrund dieser beiden Messungen gleichzeitig eine Betriebstemperatur bekommen, die dann zur Steuerung der Raumtemperatur oder etwas ganz anderem angewandt werden kann. In Verbindung mit IR ist es auch vorstellbar, daß eine Messung einer Bewegung im Raum mit dem Sensor unmittelbar möglich ist, die dann z.B. zur Steuerung einer Lüftung verwendet werden kann, die z.B. erst dann akti- viert wird, wenn eine Bewegung vorliegt, die angibt, daß sich im Raum Menschen befinden. Aufgrund verschiedener Bewegungsmessungen könnte man sich auch vorstellen, daß es möglich wäre, eine Schätzung der Anzahl von Menschen im Raum zu erhalten, wobei diese Schätzung auch für Steuerungszwecke anwendbar wäre, so daß die
Raumtemperatur oder die Lüftung in Abhängigkeit der Anzahl von Personen im Raum gesteuert/geändert wird.
Beide Signale Sl, S2 werden der Auswerteeinrichtung 8 zugeführt. Dabei enthalten beide Signale einen Störanteil. Man geht davon aus, daß der Störanteil für beide Detektoren 14, 15 im wesentlichen gleich ist. Dement- sprechend -ergibt sich -dann- -- - - -
S\ = a (Icθ2 + In)
, wobei ICo2 die elektrische Größe, beispielsweise der Strom oder die Spannung, ist, die die Information über die IR-Strahlung enthält, während Iref die Referenzgröße ist, die nicht von der IR-Strahlung beeinflußt wird. Bei In steht der Index n für "noise", also für Rauschen. Wenn man nun die Differenz zwischen Sl und S2 bildet, wofür ein Differenzbildner 16 schematisch dargestellt ist, dann erhält man eine Größe
, in der der Rauschanteil verschwunden ist.
Man normiert nun diese Differenz Sl - S2 auf das Aus- gangssignal Sl des ersten Detektors 14, so daß man ein Signal S3 erhält .
Dieses Ausgangssignal S3 ist zwar wiederum durch die Störgröße In beeinflußt. Diese Störung ist aber vernachlässigbar. Man erhält aber recht zuverlässig eine Aussage über den C02-Gehalt des Meßbereichs 2.
Fig. 5 zeigt noch einmal die unterschiedlichen Durchlaßbereiche Fl, F2 der beiden Filter 9, 10, aus denen die Unterschiede zwischen den beiden Durchlaßbereichen gut zu erkennen sind.
Fig. 6 zeigt die Differenz aus den beiden Durchlaßbereichen Fl, F2 und darin eingezeichnet das Absorptionsspektrum 17 für C0.
Der Gassensor ist in der Lage, C02-Konzentraionen im Bereich von etwa 300 bis etwa 1500 ppm zuverlässig zu ermitteln.
Wenn andere Gase ermittelt werden sollen, beispielsweise Stickstoff, Stickoxide, Sauerstoff oder CO, dann müssen die Durchlaßbänder entsprechend verschoben werden. In jedem Fall sollte aber gewährleistet sein, daß sich die Durchlaßbänder überlappen, um eine möglichst große Energieausbeute zu den Detektoren 14, 15 gelangen zu lassen.
Man kann vor dem Sensor auch einen Kollektor anordnen, also eine Einrichtung, die IR-Strahlung sammelt oder bündelt, beispielsweise einen Kollimator. Auch dies verbessert den Sensor.
Man kann einen derartigen Sensor auch unmittelbar zur Abgasüberwachung verwenden. Zu diesem Zweck baut man ihn in den Schornstein oder den Auspuff ein. Insbeson- dere bei Heizungsanlagen kann dann die Verbrennung mit Hilfe der AusgangsSignale des Sensors (oder von mehreren Sensoren) gesteuert werden.

Claims

Patentansprüche
1. IR-Sensor, insbesondere C02-Sensor, mit einer Filteranordnung, hinter der eine Detektoranordnung angeordnet ist, und einer Auswerteeinrichtung, die mit der Detektoranordnung verbunden ist, wobei die Filteranordnung einen ersten Filter und einen zweiten Filter, die als Bandpaß-Filter ausgebildet sind und jeweils ein Durchlaßband aufweisen und von denen der erste Filter ein vorbestimmtes IR- Band durchläßt und der zweite Filter nicht, und die Detektoranordnung zwei Detektoren aufweist, von denen jeder einem Filter zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchlaßband (F2) eines Filters (10) innerhalb des Durchlaßbandes (Fl) 'des anderen "Filters (9) angeordnet "ist -und die Auswerteeinrichtung (8) eine Differenz der Signale (Sl, S2) der Detektoren (14, 15) bildet und sie auf das Signal (Sl) eines Detektors (14) normiert .
2. IR-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchlaßband (Fl) des ersten Filters (9) größer ist als das Durchlaßband (F2) des zweiten Filters (10) .
3. IR-Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- zeichnet, daß beide Filter (9, 10) eine gemeinsame Grenzwellenlänge (L) aufweisen.
4. IR-Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide Filter (9, 10) die gleiche Startwellenlänge (L) aufweisen.
5. IR-Sensor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß beide Filter (9, 10) durch aufeinanderfolgende Filterelemente (11, 13; 12, 13) gebildet sind, wobei ein Filterelement (13) für beide Filter (9, 10) gleich ist und eine Grenzwellenlänge (L) definiert .
6. IR-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Filter (9) ein Durchlaßband (Fl) aufweist, das um 0 , 3 bis 0,7 μm größer ist als das Durchlaßband (F2) des zweiten Filters (10) .
7. IR-Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Filter (9) ein Durchlaßband im Bereich von 3,6 bis 4,5 μm und der zweite Filter (10) ein Durchlaßband (F2) im Bereich von 3,6 bis 4,0 μm aufweist.
8. IR-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß er die natürliche IR- Strahlung (3) aus der Umgebung verwendet.
9. IR-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da- durch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (8) die Differenz auf das Signal (Sl) des ersten Detektors (14) normiert.
10. IR-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter (9, 10) CaF2, Germanium oder Silizium aufweisen.
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